22 А. Д. Кочетов, А. А. Петров

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2

УДК 621

А. Д. КОЧЕТОВ, А. А. ПЕТРОВ

ЛАЗЕРНАЯ ГИБКА ТОНКОЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ИМПУЛЬСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Проанализирован процесс лазерной гибки тонколистовых изделий. Экспери-ментально показано, что угол изгиба может быть изменен в широких пределах в зависимости от режима лазерной обработки.

Ключевые слова: лазерное формообразование, твердотельный лазер.

Настоящая работа посвящена экспериментальному изучению процесса лазерной гибки тонколистовых изделий под действием излучения твердотельного лазера. В работе использо-вался импульсный твердотельный Nd:YAG-лазер (средняя мощность до 200 Вт, длительность импульса 0,1—10 мс). Для формирования траектории облучения был использован програм-мируемый шестикоординатный робот Motoman SSF-2000 (рис. 1). В качестве образцов были использованы стальные пластины толщиной от 0,3 до 1,1 мм.

Рис. 1

Актуальность работы. Бесконтактное изменение формы детали, вызванное лазерным воздействием, может быть использовано для решения различных задач приборо- и машино-строения. В частности, при формовке деталей различной формы лазерные технологии позво-ляют в некоторых случаях заменить процесс штамповки и получать необходимую форму детали непосредственно с помощью лазерного облучения [1]. При разработке юстировочных узлов для регулировки положения микрооптических, волокнонных, микромеханических и других деталей использование лазера может существенно упростить конструкцию и автома-тизировать процесс юстировки [2]. Управляемое деформирование под действием лазерного излучения может быть использовано также при создании микродвигателей для микромехани-ческих систем и решении ряда других задач [1]. Основными достоинствами лазерного фор-мообразования являются бесконтактность, локальность и возможность автоматизации процесса.

Лазерная гибка тонколистовых деталей импульсным излучением 23

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2

Описание работы. Рассмотрим кратко механизм возникновения деформаций (пласти-ческого формообразования) под действием температурных напряжений. При локальном на-гревании некоторой области материала в результате неравномерного теплового расширения в нем возникают термоупругие напряжения. Если напряжения достигают предела текучести, то они приводят к появлению пластических деформаций. По окончании импульса, при остыва-нии среды, деформированная область не принимает исходных размеров и остается в сжатом (по сравнению с исходным) состоянии.

На рис. 2 представлены основные виды деформации вызванные локальным лазерным прогреванием [3].

α ux

Поверхностнаяусадка

Выгибание Равномернаяусадка

Распределениетемпературы посечению детали

Деформация

Примерыиспользования

Выдавливание ПеремещениеГибкаРегулировка

Тo >> Tu Тo ≈ Tu Тo ≈ Tu

Рис. 2

В зависимости от глубины прогретого слоя деформирование материала протекает по-разному. При локальном нагреве поверхностного слоя, когда температура поверхности детали много больше температуры обратной стороны, Тo >> Tu, тепловое поле приводит к неравномер-ному тепловому расширению и деформированию преимущественно поверхностных слоев. Этот механизм изгиба получил название поверхностной усадки (near-surface upsetting) [4].

Если во время действия лазерного излучения деталь прогревается равномерно по тол-щине (Тo ≈ Tu), тепловое расширение и последующая деформация происходят по всему попе-речному сечению детали. В этом случае результатом лазерного воздействия является умень-шение линейных размеров (см. рис. 2), или равномерная усадка (uniform upsetting) [4]. При аналогичном распределении температуры деформирование более тонких пластин происходит иначе, хотя также с уменьшением линейных размеров, по механизму выгибания (buckling) [3].

Технология лазерного формообразования достаточно хорошо известна в мире и активно разрабатывается [1, 5, 6], в России первые публикации по этой теме появились в начале 2000-х гг. [7]. В данной работе исследовался механизм деформирования на основе поверхно-стной усадки, который приводил к изгибу детали. Угол изгиба измерялся методом оптическо-го рычага. Для регистрации малых перемещений образца в результате деформации под дей-ствием лазерного излучения использовалось излучение зондирующего полупроводникового лазера. Измерения проводились следующим образом: на образце закреплялось легкое зеркало или использовалась полированная поверхность образца. Луч полупроводникового лазера, от-ражаясь от зеркала, падал на экран со шкалой, по измеренному отклонению луча на экране вычислялся угол наклона пластины.

В рамках настоящей работы перемещение лазерного луча по поверхности проводилось как по прямолинейным, так и по сложным траекториям, которые реализовывались с помо-щью роботизированного комплекса. Лазер работал в импульсном режиме. Движения робота

24 А. Д. Кочетов, А. А. Петров

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2

задавались таким образом, чтобы лазерный луч проходил на 2—3 см за край детали, чтобы избежать перегрева пластины в фазах разгона и торможения.

Активная среда........................................................................................ Nd:YAG Длина волны, мкм................................................................................... 1,064 Частота следования импульсов, Гц ....................................................... 1—50 Максимальная средняя мощность, Вт................................................... 200 Длительность импульса, мс ................................................................... 0,2—7 Диаметр пятна на образце, мм............................................................... 1

На рис. 3 приведена стальная пластинка с изгибом по дуге.

Рис. 3

Одна из основных задач настоящей работы — выявление закономерностей изгиба при изменении условий эксперимента. В результате серии экспериментов были получены зависи-мости углов изгиба от числа проходов и длительности импульса и определены режимы ла-зерной гибки, которые могут быть использованы в последующих исследованиях, направлен-ных на получение упругих деформаций. Были выбраны критерии оптимального режима ла-зерного формообразования: отсутствие повреждений и следов плавления поверхности, а так-же линейная зависимость результирующего угла от числа проходов.

На рис. 4 приведена зависимость угла изгиба стальной пластины от числа проходов п (1 — толщина пластины 0,3, 2 — 1,1 мм; скорость сканирования Vск = 2,5 мм/с, f = 20 Гц, τ = 2 мс); на рис. 5 — зависимость угла изгиба титановой пластины от числа проходов (Vск = =2,5 мм/с, f = 20 Гц, τ = 3,5 мс).

1

2

α, …°

0 3 6 9 12 15 18 21 24 n

4

8

12

16

α, …°

0 10 20 30 40 n

4

8

12

16

20

Рис. 4 Рис. 5

Погрешность измерения угла составила около 0,5 градуса. Из представленных графиков видно, что при оптимальных режимах лазерного воздействия зависимости близки к линей-ным, что наиболее удобно при построении технологических процессов. В качестве материа-лов в работе были использованы сталь марки 12X17, титан ВТ1-00, латунь Л70. Наилучшие результаты были получены на стали 12X17, на латунных образцах угол изгиба не фиксиро-вался, что связано с недостаточным температурным градиентом, возникающим при исследо-

Лазерная гибка тонколистовых деталей импульсным излучением 25

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2

ванных режимах обработки. Увеличение мощности падающего излучения приводило к абля-ции и повреждению поверхности.

Заключение. В работе представлены результаты лазерной гибки тонколистовых дета-лей из различных материалов при разных режимах облучения. Результаты сравнивались с ранее полученными [2], можно сделать следующие выводы:

— для тонких пластин (глубина прогретого слоя порядка толщины пластины) нелиней-ность изменения угла изгиба значительно сильнее проявляется, чем для толстых (глубина прогретого слоя много меньше толщины пластины). Это связано с меньшим различием зна-чений температуры на поверхности и обратной стороне детали. Нелинейность может быть уменьшена путем уменьшения длительности импульса;

— возможен изгиб детали по криволинейной траектории (по дуге), причем при измене-нии траектории основные зависимости сохраняются;

— толщина пластины является важным параметром при изгибе, так как ограничивает плотность мощности порогом испарения (плавления), что приводит к повреждению поверх-ности.

Авторы выражают благодарность сотрудникам кафедры ЛТиЭП. Особую благодарность авторы выражают В. П. Вейко за обсуждение результатов, интерес к работе.

Работа поддержана грантом РФФИ № 10-02-00208-а.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Paunoiu V., Squeo E. A., Quadrini F., Gheorghies C., Nicoara D. Laser Bending of Stainless Steel Sheet Metals //

Intern. J. Mat. Forming. 2008. Vol. 1, Suppl. 1. Р. 1371—1374.

2. Laser Forming of Thin Metal Components for 2D and 3D Applications Using a High Beam Quality, Low Power Nd:YAG Laser and Rapid Scanning Optics // Intern. Workshop on Thermal Forming. Bremen, 2005.

3. Muller B. Virtual Engineering helps to get laser adjustment industrially accepted // 1st Intern. Symp. on Laser Precision Microfabrication. Proc. SPIE. 2000. Vol. 4088. P. 164—167.

4. Hoving W. Laser adjustment, a novel technique to obtain fast, sub-micron accuracy in mass production // Second Intern. Symp. on Laser Precision Microfabrication. Proc. SPIE. 2002. Vol. 4426.

5. Vollertsen F., Geiger M. Laserstrahljustieren mechatronischer Komponenten. Laser – Von der Wissenschaft zur Anwendung // Strahltechnik. Bremen: BIAS Verlag, 1997. Bd 10. S. 309—320.

6. Vollertsen F. An analytical model for laser bending // Lasers in Engineering. 1994. Vol. 2. P. 261—276.

7. Петров А. А., Вейко В. П. Пространственное позиционирование микродеталей с помощью лазерного излучения // Микросистемная техника. 2002. № 7. С. 23—27.

Сведения об авторах Андрей Дмитриевич Кочетов — студент; Санкт-Петербургский государственный университет инфор-

мационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерных техно-логий и экологического приборостроения; E-mail: user32-dll@mail.ru

Андрей Анатольевич Петров — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный уни-верситет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения; E-mail: petrovandrey79@inbox.ru

Рекомендована программным комитетом Конференции

Поступила в редакцию 08.09.10 г.